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Rotor für Strömungsmaschinen, insbesondere
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Axialverdichterrotor für Gasturbinentriebwerke Die Erfindung bezieht
sich für einen Rotor für Strömungslnaschinen, insbesondere auf einen Axialverdichterrotor
für Gasturbinentriebwerke, der aus einzelnen, koaxial zur Rotorlängsachse verlaufenden
ringförmigen Bauteilen zusammengesetzt ist.
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Bei bisher bekannten Verdichterrotorkonzeptionen, z.B. für Axialverdichter,
unterscheidet man im wesentlichen zwischen Rotoren, die entweder aus integral gegossenen
Laufschaufelkränzenzusammengesetzt sind oder aus Scheibenkörpern zusammengesetzt
sind, die mit eingearbeiteten Fußprofilen versehen sind, in welche einzelne Laufschaufeln
eingesetzt werden können. Die einzelnen Schaufel stufen werden in beiden zuvor genannten
bekannten Fällen entweder durch Zentrierflansche oder über sogenannte Curvickupplungen
oder derqleichen mit einer Spannwelle zum C.esamtrotorverband zusammengeschraubt.
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Der Vorteil eines Rotors mit integral gegossenen Schaufelkranzen gegenüber
einem Rotor mit einzelnen eingesetzten Laufschaufeln wird vorwiegend zum einen in
der verhältnismäßig leichten Bauweise und zum anderen in den verhältnismäßig niedrig
liegenden Fertigungskosten gesehen.
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Der wesentliche Vorteil eines Rotors mit einzelnen eingesetzten Laufschaufeln
wird hauptsächlich darin gesehen, daß - die Fertigung aerodynamisch hoch präziser
Profile an einzelnen Schaufeln möglich ist, wobei z.B. verhältnismäßig geringe Profiltoleranzen
realisierbar sind;-- bei Bruch oder Beschädigung von Laufschaufeln nur ein Austausch
der unmittelbar beschädigten Schaufeln erforderlich ist, an Stelle eines komplizierten
Schaufel kranzes und mit der damit einhergehenden Reparaturunfreundlichkeit bei
integral gegossenen Schaufel kränzen; - die Laufschaufeln untereinander beliebig
austauschbar sind, wodurch eine verhältnismäßig präzise Vorwuchtung des Rotors möglich
ist mit einer daraus resultierenden vergleichsweise geringen erforderlichen Wuchtausgleichsmasse,
welch letztere wiederum zu einem verhältnismäßig geringen Rotor gewicht führt;
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die Schwingungsbeanspruchung der jeweils frei aufgehängten Einzel schaufel gegenüber
einer fest eingebundenen Laufschaufel vermindert wird, und zwar bis etwa 50n.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Rotor zu schaffen,
in dem die Vorteile der eingangs behandelten beiden Rotorkonzeptionen weitgehend
vereinigt werden können, d.h., der für die zuerst genannte bekannte Ausführung (Integralkranz)
genannte Gewichtsvorteil soll trotz eines Rotoraufbaus mit einzeln eingesetzten
Laufschaufeln im Sinne der als zweite genannten bekannten Ausführung weitgehend
erhalten bleiben.
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Im Rahmen der gestellten Aufgabe soll weiter ein Rotor geschaffen
werden, der für verhältnismäßig hohe Drehzahlen geeignet ist, wobei die am äußeren
Rotorumfang durch Zentrifugalbeanspruchung auftreten den Verformungen und Kräfte
weitgehend gleichförmig über den Rotorumfang verteilt aufgefangen werden sollen.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird hauptsächlich auf die im Kennzeichnungsteil
des Patentanspruchs 1 angegeben nen Erfindungsmerkmale hingewiesen.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den Patentansprüchen
2 bis 13 hervor.
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Anhand der Zeichnungen ist die Erfindung beispielsweise weiter erläutert;
es zeigen: Fig. 1 einen Rotorlängsschnitt in einer ersten Ausführungsform, Fig.
2 ein Schnitt nach der Linie II-II der Fig. 1, Fig. 3 eine weitere als Axialschnitt
dargestellte Rotorvariante, Fig. 4 ein Schnitt nach der Linie IV-IV der Fig. 3,
Fig. 5 eine weitere als Längsschnitt dargestellte Rotorvariante, Fig. 6 ein Schnitt
nach VI-VI der Fig. 5, die Figuren 7, 8 und 9 detaillierte tlerkmale nach Fig. 1,
wobei Fig. 7 ein Teillängsschnitt des Rotors ist, Fig. 8 ein Schnitt nach der Linie
VIII-VIII der Fig. 7 ist und Fig. 9 eine Teilansicht gemäß den Schnittlinien C-C
sowie D-D der Fig. 7 ist,
Fig. 10, 11 und 12 detailliert dargestellte
sowie teilweise abgewandelte Einzelheiten aus Fig. 3 und 4, wobei Fig. 10 ein Teillängsschnitt
des Rotors nach Fig. 3 ist, Fig. 11 ein Schnitt nach der Linie XI-XI der Fig. 10
und Fig. 12 eine Einzelheiten verkörpernde Darstellung gemäß den Schnittlinien E-E
sowie F-F gemäß Fig. 10 ist.
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Die Ausführungsbeispiele z.B. nach den Fig. 1, 3 und 5 zeigen einen
Rotor für Strömungsmaschinen, hier speziell einen Axialverdichterrotor eines Gasturbinentriebwerks,
der aus einzelnen, koaxial zur Rotorlängsachse L verlaufenen ringförmigen Bauteilen
z.B. 1, 2 bzw.
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3, 4 bzw. 5, 6, zusammenqesetzt ist.
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Hierbei weisen die Laufschaufeln 7 (Fig. 2) in Umfangsrichtung aneinandergereihte
Schaufelfußsegmente 8 auf, die zwischen den jeweils in Umfangsrichtung benachbarten,
radial verlaufenden Gegenflächen sich in Achsrichtung erstreckende Ausnehmung 9
einschließen. Dabei sind jeweils ein erstes, 1, und ein zweites rinqförmiges Bauteil
2, bzw. ein erstes, 1, und ein zweites als Abstützring ausgeschildertes Bauteil
S mittels in diesen zuvor genannten Ausnehmungen 9 übereinandergreifender Zentrierlappen
10, 11 festlegbar (s.h. auch Fig. 7 und °). Die radiale Abstützung der einzelnen
Laufschaufeln 7 sowie
auch diejenige der übrigen Laufschaufeln
12, 13 (Fig. 1) soll über deren Schaufel füße an den ringförmigen Bauteilen erfolgen.
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Wie insbesondere aus Fig. 7 und 8 hervorgeht, sollen bei diesen genannten
Varianten die Zentrierlappen 10, 11 in Höhe der jeweiligen Schaufelhälse 14 angeordnet
sein.
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Gemäß den anderen Varianten nach den Fig. 3, 4, 5, 6, 10, 11 und 12
sollen die jeweiligen Zentrierlappen 15, 16 in Höhe der einzelnen Schaufel füße
17 in Ausnehmungen 18 der betreffenden Laufschaufeln 19 angeordnet sein. Es wird
im übrigen für sämtliche Varianten davon ausgegangen, daß die Schaufel füße vorzugsweise
mit hanimerkopffußartigem Schaufelfußprofil ausgestattet sein sollen.
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Speziell zu den Fig. 1, 3, 5, 7 und 10 wäre zu vermerken, daß die
jeweils zwischen zwei Laufschaufelreihen 7, 12 bzw. 19, 20 bzw. 21, 22 liegenden
Abschnitte eines ringförmigen Bauteils z.B. 1 oder 3 oder 5 mit Zwischenringen,
z.B. 23 oder 24 oder 25 ausgestattet sind, die zum einen jeweils die innere Kanalwand
des Verdichters zwischen zwei Schaufel reihen fortsetzen sollen und die zum anderen
zur Versteifung des Rotorverbandes beitragen sollen. Zu diesem Zweck sind diese
Zwischenringe 23 oder 24 oder 25 kastenprofilartig ausgebildet und verlaufen als
in sich geschlossene Bauteile koaxial zur Verdichterlängsachse L.
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Vorteilhaft können erfindungsgemäß dann weiter die ringfijrmigen Bauteile,
z.B. 1, S bzw. 3, S' bzw. 5, S" an
den schaufelseitig benachbarten
Endpartien als Träger sich in Umfangsrichtung erstreckender, faserverstärkter Versteifunsrinie
26, 27 bzw. 28, 29 bzw.
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30, 31 ausgebildet werden. Insbesondere im Hinblick auf die Fig. 1,
3, 7 und 10 können diese Versteifungsringe durch Wickeln auf die metallischen ringförminen
Bauteile aufgebracht sein.
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Im Hinblick auf die Ausführungsform nach Fig. 5 könnten die Versteifungsringe
30, 31 bevorzugt durch Aufschrumpfen auf die metallischen ri ngförmi gen Bauteile
S, S'' aufgebracht werden. Die ringförmigen Bauteile S, S', S'' sind im übrigen
als Abstiitzringe ausgebildet.
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Wie ferner speziell aus Fig. 5 ersichtlich, können die Versteifungsringe
30, 31 innerhalb sich in Umfangsrichtung erstreckender Aussparunqen angeordnet sein,
die sich am betreffenden Rotor jeweils zwischen den Schaufelhälsen 32 und einer
benachbarten Zwischenringwand oder einer radialen Wand 32' eines als Abstützring
S'' ausgebildeten Bauteils erstrecken, wobei diese Aussparun<ien im vorliegenden
Fall fast gänzlich von den Schaufelfu9.-Plattformenden 33 bzw. 34 bedeckt sind.
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Speziell für das Aufwickeln der Versteifungsringe geeignete Ausführungsformen
des Rotors gehen aus den Fig. 1, 3, 7 und 10 hervor, wobei in Umfangsrichtung sich
erstreckende nutartige Vertiefungen vorgesehen sind. Diese Vertiefungen sind jeweils
auf der einen Seite von einer an die Schaufel hälse 14, 14' (Fig. 7 und 10) angrenzenden
Endwand 35, 36 gebildet, ferner von einer Ringfläche
des betreffenden
ringförmigen Bauteils 1 bzw. 3 und ferner zum andern von einer Seitenwand 37 bzw.
33 eines Zwischenrings 23 bzw. 24. Auch in diesen zuletzt genannten Fällen werden
die Vertiefungen im wesentlichen gänzlich von den darüberliegenden Schaufelfunplattformenden
39, 40 bedeckt. Letzteres gilt sinngemäß auch für die von den jeweils gegenüberliegenden
Fußplattenenden 41 bzw. 42 abgedeckten, für die Aufnahme der Versteifungsringe 27,
29 vorgesehenen nutartigen Vertiefungen an den als Stützringe S bzw. S' ausgebildeten
Bauteilen, die die jeweiligen Versteifungsringe 27, 29 mit Seitenwandungen 43, 44
bzw.
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45, 46 umfassen. Die Seitenwandungen 43 bzw. 45 grenzen hier an die
stromaufwärtigen Patien der Schaufelhälse 14 bzw. 14' an.
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Gemäß einer weiteren abgewandelten Ausführungsform eines Rotors nach
Fig. 11 sollen hierbei neben den im schaufelfußseitigen Bereich befindlichen Ausnehmungen
18 für die Zentrierlappen 15, 16 weitere sich in Achsrichtung erstreckende Ausnehmungen
47 im Schaufelhalsbereich vorgesehen sein, und zwar immer zwischen zwei in Umfangsrichtung
einander benachbarten Laufschaufeln 19.
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Diese zusätzlichen Ausnehmungen 47 sollen ein Beitrag dazu sein, das
Rotorgewicht zu vermindern und dementsprechend die Fl i ehkraftbeanspruchu ng am
äußeren Umfang des Rotors herabzusetzen.
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Wie bei dem Ausführungsbeispiel nach Fiq. 10 veranschau 1 i c ht,
kann zusätzlich zwischen den Versteifungen 28, 29 und der betreffenden Upifanqsbewandunq
des ringförmigen Bauteils 3 bzw. S' (Abstützring) ein dünnwandiger metallischer
Zwischenring 43 bzw. 49 angesetzt sein.
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Aus Fig. 1, 3 und 5 geht weiter hervor, daß der Axialverdichterteil
des Rotors endseitig mit den als Abstützringen S, S', > 5' einerseits und 50,
50', 50' andererseits ausgebildeten ringförmigen Bauteilen versehen ist.
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Weiter soll hierbei eine konzentrische Spannwelle 51 zur Axialverspannung
der Abstützrinqe und der Zwischenringe vorgesehen sein. Gemäß den Fig. 1, 3 und
5 ist der jeweils am hinteren Ende angeordnete Abstützring 50, 50', 50' mit einem
entsprechenden weiteren Abstützring 52 eines Radialverdichterrotorabschnitts 53
verbunden. Die Spannwelle 51 stützt sich einerseits am Radialverdichterrotorabschnitt
53 ab und wird mit dem übrigen freien Ende über Spannbauteile 54, 55 axial verspannt.
Der vordere Abstützring S, S', S'' des Rotors ist ferner Träger einer Umfangsdichtung
gegenüber dem Verdichterstator. In Fig. 1, 3 und 5 sind im übrigen jeweils zugehörige
Axialverdichterleitgitter - hier mit innenringloser Ausführung - jeweils der Reihe
nach mit 56, 57 und 58 bezeichnet.
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Die in den einzelnen Ausführungsformen vorgesehenen Zentrierlappen
weisen koaxial zur betreffenden Rotormitte bzw. -längsachse innen wie außen konzentrische
Paßflächen auf.
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Ferner wird beim Erfindungsgegenstand vorausgesetzt, da3 die Zentrierlappen
bzw. die die Zentrierlappen enthaltenden Stege immer gleichformig in Umfangsrichtung
untereinander beabstandet angeordnet sind. Die jeweils stirnseitigen Anlageflächen
an den Zentrierlappen sollen
die Axialkraftabstützung bei Axialverspannung
des Rotors mittels der Spannwelle gewährleisten.
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Je nach vorhandener Fliehkraft an den Laufschaufeln werden diese mehr
oder weniger stark an die zylindrische Innenkontur der ringförmigen Bauteile angepreßt.
Bei Rotorstillstand bzw. in unteren Drehzahl bereich werden die Laufschaufeln nach
innen durch Anliegen der betreffenden Fußpartien an den genannten Zentrierstegen
bzw. -lappen gehalten. Um die Radialbewegungen der Laufschaufeln beim Hochfahren
und Abstellen des Rotors o.ä. gering zu halten, kann nur ein entsprechend kleiner
Spalt G, z.B. Fig. 11, zugelassen werden.
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Ein Wandern der Laufschaufeln in Umfangsrichtung wird ebenfalls durch
diese Zentrierlappen bzw. -stege zwischen den einzelnen Laufschaufeln unterbunden.
Ein Verklemmen der Fußplatte der Laufschaufeln, und damit eine !linderung der Schwingfestigkeit,
wird durch entsprechende Abstimlnung der Umfangsspalt- und Toleranzmaße an den Fußplatten
und den entsprechenden Aussparungen für die Zentrierlappen bzw. -stege der Laufschaufeln
mit der notwendigen Teilungsgenauigkeit (Breiten- und Lagetoleranz) der Zentrierlappen
an den ringförmigen Bauteilen verhindert. lJmfangsspalte zwischen den jeweils kranz-,
hals-und fußseitigen Partien der Laufschaufeln sind z.B. mit U in Fig. 11 bezeichnet.
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Die Abstützung der Schaufel fl iehkräfte erfordert relativ steife
ringförmige Bauteile. was in den Zeichnungen z.9.
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durch die Kastenprofilbauweise der Zwischenringe, z..
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24, Fig. 10 sowie durch das Finlegen bzw. Aufschrumpfen
von
Faserringen bzw. Versteifungsringen verdeutlicht sein soll.
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Die Ausführung z.B. nach Fig. 7 und 8 mit im Bereich des Schaufel
halses 14 angeordneten Zentrierlappen 10, 11 hat gegenüber der Ausführung z.E. nach
Fig. 10 und 11 den Vorteil, daß - die Verbindungspunkte der einzelnen Rotorelemente
(Zentrierlappen) auf einem größeren Durchmesser liegen und daher der Gesamtrotorverband
steifer ausgeführt werden kann; - die jeweiligen Schaufelfüße nicht unterbrochen
sind und sich dadurch im gesamten Segmentbereich abstützen können. Durch einen hierdurch
breiteren Schaufel fuß ergibt sich eine geringere Flächenpressung und eine niedrigere
Biegebeanspruchung; - die Krafteinleitung großflächig erfolgt, und damit eine punktuelle
Belastung der darliberliegenden Ringelernente der ringförmigen 3auteile weitgehend
verhindert wird. Dies ist insbesondere bei Rotoren, bei denen zur Abstützung der
Schaufelfliehkrtifte die ringförmigen Bauteile mit Faserringen versteift sind, vorteilhaft.
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Eine Ausführung z.B. nach Fig. 11, d.h. mit den Ausnehnungen 18 im
Bereich der Schaufelfüße 17 ist insbesondere dann sinnvoll, wenn im Bereich der
Schaufelhälse 14' zur Gewichtsminderung (Fliehkraftreduzierung) Ausnehmungen 47
zuirundegelegt werden sollen.
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Werden, wie bereits erwähnt und in den Zeichnungen dargestellt, zur
Rotorversteifung und zur Abstützung der Schaufelfliehkräfte faserverstärkte Versteifungsringe
eingesetzt, so liegt ein weiterer Vorteil der in den Zeichnungen dargestellten Rotorbauwei
sen darin, daß hierdurch eine punktuelle Krafteinleitung auf die Faserringe trotz
der polygonartig wirkenden Fliehkräfte des Schaufel verbandes weitgehend verhindert
wird, wobei die Einzel kräfte durch den zwischengelegten metallring zusätzlich vergleichsmäßigt
werden können. Durch die etallringe 48, 49 (Fig. 10) kann somit zusätzlich eine
örtliche überbelastung der Versteifungsringe, z.B. 28,29, verhindert werden. Die
Anordnung der Versteifungsringe in den nutartigen Vertiefungen verhindert im übrigen
ein seitliches Wegquetschen bzw. wegfließen derselben bei besonders hohen Drehzahlen
und Fliehkräften. Die seitlichen umlaufenden Nutstege, z.B. 36, 38 bzw. 45, 46 (Fig.
12), erhöhen zudem die Formfestigkeit und -stetigkeit des Rotorverbandes noch zusätzlich.
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Bei den erfindungsgemäßen Rotorausführungen sind demnach die einzelnen
Laufschaufeln frei, d.h. nicht klemmend aufgehdngt, wodurch keine Beeinträchtigung
der Schwingdauerfestigkeit der Laufschaufel gegeben sein soll, wobei die Rotorverspannung
und -zentrierung unabhängig von den Dehn-Kriech- und Setzvorgängen an den Laufschaufeln
ist.
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Hierdurch ergibt sich ferner eine verhältnismäXig niedrig zu veranschl
agende Rotorvorspannkraft.